김주환 K-water연구원 상하수도연구소 연구위원
환경의 날 특집 Ⅱ. 수도 분야에도 융합기술 도입 시급하다
“센서 네트워크 기반 관망관리 시스템 구축 시급”
IT 기반 새로운 물공급·관리 체계의 산업화 진행…미래형 첨단기술 적용 필요
스마터 미터·센서 네트워크 기반 상수관망 운영관리 시스템 최적화 기술 개발 중
정보통신기술(IT), 나노기술(NT)을 융합한 수처리 기술의 발달로 물공급·관리 체계가 중앙 집중형에서 분산형으로 변화하는 등 물산업 구조가 재편성되고 있다. 이에 IT 기반의 새로운 물공급·관리 체계의 산업화가 진행됨에 따라 미래형 첨단기술의 적용 필요성이 제기된다.
관망의 경우 매설·구축된 지 장기화되어 향후 10년 내에 현재 구축된 관망 중 약 56%가 개량시기를 맞을 것으로 보인다. 특히, 녹·스케일·부식 등 문제가 꾸준히 발생해 재편성은 더욱 시급한 실정이다. 이 과정에서 유량, 수압, 통수능 저하, 관 파손 등에 따른 시설 수리가 요구되며 미생물 재성장, 녹물 발생 등 수질관리에도 유의해야 한다.
현재 우리나라는 관망관리 기술에서 1∼3단계의 과정을 거친다. 1단계에서는 수압제어에 의한 누수를 저감하고자 유량 및 수압관리 시스템(DMA)을 구축하고 수압 모니터링 관리 등을 바탕으로 블록별 감시·운영을 실시한다.
2단계에서는 해석모델을 연계해 누수제어를 파악하며 수압, 유량(SCADA)과 연계한 관망해석을 통해 상시·비상시 누수를 감시한다. 또한 최적화 수준을 유지하기 위해 관망해석 모델을 보정하고 예측 정보·기록 정보들을 습득한다. 3단계에서는 이상 사용량을 감시하고 최고·최소 사용량 및 도수·낭비의 수요 패턴을 실시간으로 분석해 수용가 누수관리를 강화하는 등 누수 저감을 위해 노력하고 있다.
국내에서는 현재 스마터 미터(Smart meter) 및 센서 네트워크 기반의 상수관망 운영관리를 최적화하기 위한 방안들이 논의되고 있다. 이에 프로토콜 표준화 및 유·무선 네트워크 기술 개발을 통해 스마트 미터의 표준모델을 제시하고 정확도와 정밀성을 높인 고정밀 하드웨어를 개발 중이다. 또한 누수·역류·동파·전원상태 등 이상징후를 감지하는 기능을 확장한 다기능(Multi-function) 미터를 개발하고 있다.
수질관리의 경우 상수관망 수질감시센서를 개발해 다항목 수질 감시망을 구축하고 통합화한 결과 탁도·잔류염소·온도·pH·전기전도도 등 주요항목의 센서는 국산화된 상태이다. 뿐만 아니라 실시간 감시 및 운영관리 기술을 개발하기 위해 수용가 기반의 실시간 계측자료를 분리하고 분석기법을 개발하고 있으며, 통합 운영관리 시스템을 탑재해 총괄한다.
스마트 미터 성능을 향상시키기 위해 물리적 실험 및 유동해석(CFD)을 거쳐설계인자를 검증하고, 유동해석·유량실험 결과를 반영해 오차 성능을 개선하기도 했다. 이에 기어와 중심 피니언 간 거리가 변경되고, 하부완급 높이가 조절되어 익차 재질이 변경되는 결과가 나타났다. 중심 피니언의 축·반경·가우스 등의 변경은 시동유량 측정치를 개선하는 효과를 보였다.
태양광, 배터리 등 양방향 전원공급장치를 활용함으로써 중계장치 사용연한 증가 및 저전력(Ultra-Low Power) MAC 프로토콜을 이용한 스마트 미터링 운영 환경을 구현해 중계장치 기능을 개선시키고자 했다. 동시에 블랙박스형 소형 중계장치(repeater)·데이터 수집기의 제작 및 적용을 실시했다.
한편, 모니터링 과정에서 다항목 수질계측 시스템 기능을 개선하고 고도화시키기 위한 △탁도계 국산화 △잔류염소 국산화 △운영관리 시스템 △현장적용 및 평가가 있었다. 이에 탁도계 기포제거를 최적화하고 버블 트래퍼(Bubble Trapper) 형성인자를 도출하는 등 유동해석 과정을 거쳤으며 상수관망의 실시간 수질계측을 통해 수질과 관련한 항목을 모니터링 했다. 운영관리 시스템 서버로 전송하는 등 전송 및 운영관리도 철저히 했다.
이러한 다항목 수질계측 시스템은 논산·파주시 지방상수도 배급수 구역에 적용되어 수질항목별 현장측정 데이터를 검증하고 센서 검·보정을 진행했다. 또한 상용화된 수질계측장비와 성능비교를 실시하고, 신뢰성 있는 데이터를 확보해 다항목 수질계측기 업그레이드를 진행한 결과 탁도, pH의 개선 효과를 보였다.
대수용가 유량감시 시스템 설계
논산 배수지에서 실시된 초소형 멀티센서의 현장 적용성 평가는 급격한 잔류염소 농도 변화 시 자동 검·보정 기능에서 일부 오류가 발생함에 따라 기능을 개선했으며, 전력소모를 최소화하기 위한 MCU(Micro Control Unit)를 내장했다. RTC(Real Time Clock) 시간오차의 발생 문제는 온도 보상이 가능한 전용 시계칩을 장착해 해결했다.
USB 포트 연결을 통한 실시간 데이터 다운로드 및 파일 변환, 데이터 분석 등 초소형 멀티센서 운영을 바탕으로 소프트웨어를 개발하고 현장에 적용하기도 했다. 초소형 멀티센서의 경우 2차 시안을 개발해 저전력 그래픽의 LCD를 적용했으며, 센서모듈을 분리설계하고 케이스를 변경하는 등 멀티센서를 개발했다.
한편, 수압 및 수질 균등화를 위한 대수용가 유량감시 및 제어 시스템을 설계·개발해 대수용가를 관리하고자 했다. 이에 대수용가 유량의 단속적 수수로 인한 문제점을 분석하고, 선형적 유량제어를 위한 제어용 밸브 평가 및 유동해석이 실시되었다. 이 시스템은 유량제어밸브, 전자식, 유량계, 탁도계, 압력계, 제수밸브, 상부 제어부 등으로 구성되어 설치되었다.
상수관망을 포함한 수처리 분야는 앞으로도 지속적인 관리가 필요하다. 이에 물관리 자료 분석을 위한 지능형 시스템, 감시·특정 이벤트 위치 추적을 통한 컴퓨팅 시스템, 지능화 이론 기본의 의사결정지원 시스템을 도입하는 등 센서 네트워크를 기반으로 한 선진형 관망관리가 실현되어야 한다.
[『워터저널』 2016년 6월호에 게재]